§ III.13.4. Магнитное поле в магнетиках

1°. В веществе различается два типа токов, создающих магнитное поле, – макротоки и микротоки.Макротокаминазываются токи проводимости (III.7.1.2°) и конвекционные токи (III.7.1.2°).Микротоками(молекулярные токи) называются токи, обусловленные движением электронов в атомах, молекулах и ионах.

Магнитное поле в веществе является векторной суммой двух полей (III.2.2.2°): внешнего магнитного поля, создаваемого макротоками и внутреннегоилисобственного магнитного поля, которое создается микротоками. Вектор магнитной индукцииB(III.10.1.2°) магнитного поля в веществе характеризует результирующее магнитное поле и равен геометрической сумме векторов магнитной индукции внешнегоB₀и внутреннегоB_внутрмагнитных полей:

.

Первичным источником магнитного поля в магнетиках являются макротоки. Их магнитные поля являются причиной намагничивания вещества, помещенного во внешнее магнитное поле.

2°.Закон полного тока для магнитного поля в веществеявляется обобщением закона, сформулированного в III.10.5.2°:

(в СИ),

(в гауссовой системе),

где I_макроиI_микро– алгебраические суммы сил макро- и микротоков, протекающих сквозь поверхность, натянутую на замкнутый контурL.

3°. Алгебраическая сумма сил микротоков связана с вектором намагниченности:

(в СИ),

(в гауссовой системе),

где – циркуляция вектора намагниченностиJ(III.13.3.1°) вдоль замкнутого контураL, охватывающего микротоки.

Закон полного тока (п. 2°) окончательно имеет вид:

(в СИ),

(в гауссовой системе).

4°. Вектор

(в СИ),

(в гауссовой системе)

называется напряженностью магнитного поля, существующего в произвольной среде (ср. III.10.2.3°). Закон полного тока для магнитного поля в произвольной среде записывается в форме, тождественной с III.10.5.4°:

(в СИ),

(в гауссовой системе).

Циркуляция вектора напряженности магнитного поля по произвольному замкнутому контуру равна (или пропорциональна) алгебраической сумме макротоков сквозь поверхность, натянутую на этот контур.

5°. Для изотропной среды связь между векторами магнитной индукцииBи намагниченности J (III.13.4.3°) приводит к результату для вектораH(п. 4°):

(в СИ),

(в гауссовой системе),

Заменяя (1 – χ'_m) или (1 – 4πχ'_т) на основании (III.13.3.4°), имеем:

(в СИ),

(в гауссовой системе),

где

(в СИ),

(в гауссовой системе).

Введенная таким образом величина μназываетсяотносительной магнитной проницаемостью вещества(см. также III.10.2.1°). В этих формулахχ_m– магнитная восприимчивость (III.13.3.4°).

§ III.13.5. Ферромагнетики

1º.Ферромагнетиками называются такие вещества, в которых внутреннее магнитное поле (III.13.4.1°) в сотни и тысячи раз превышает вызвавшее его внешнее магнитное поле.

Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов (VI.2.3.8º) – железа, кобальта и никеля и у ряда сплавов, при условии выполнения неравенства, гдеd– диаметр атома,а– диаметр незаполненной электронной оболочки атома (VI.2.3.6°).

2º. Основные свойства ферромагнитных веществ, отличающие их от других типов магнетиков:

а) Зависимость намагниченности (III.13.3.2°) от напряженности Hвнешнего магнитного поля характеризуется наличиеммагнитного насыщения, наступающего приH≥H_н(рис. III.13.4). Насыщению соответствует намагниченностьJ_н.

б) Зависимость магнитной индукцияBотHотличается возрастанием по линейному закону приH≥H_н(рис. III.1.3.5).

в) Зависимость относительной магнитной проницаемости μот напряженностиHимеет сложный характер (рис. III.13.6).

г) Существование магнитного гистерезиса ферромагнетиков– отставания изменения намагниченности от изменения напряженности переменного по величине и направлению внешнего намагничивающего поля. Это отставание объясняется зависимостью намагниченности от предыстории намагничивания вещества.

д) Перечисленные выше свойства ферромагнитных веществ^*)обнаруживаются при температурах, меньшихточки Кюри . При температурах тепловое движение разрушает области спонтанной намагниченности (п. 4°) и ферромагнетик, теряя свои особенности, превращается в парамагнитное вещество (III.13.3.5°). Точка Кюри для железа 1063 К, для никеля 623 К, для кобальта 1423 К, для сплава пермаллоя 823 К.

3°.Петлей гистерезисаназывается кривая изменения намагниченности ферромагнетика, находящегося во внешнем магнитном поле, при изменении напряженности этого поля от+H_н до –H_ни обратно, гдеH_н– напряженность поля, соответствующая магнитному насыщению (рис. III.13.7). Величина ±J_ннамагниченности приH=±H_н называетсянамагниченностью насыщения. Величина намагниченности ±J_R, сохраняющейся у ферромагнетика в отсутствие внешнего поля (приH= 0), называетсяостаточной намагниченностью. Остаточной намагниченностью объясняется возможность создания постоянных магнитов. Напряженность±H_квнешнего поля, которое полностью размагничивает вещество, называетсякоэрцитивной силой(задерживающей напряженностью). Коэрцитивная сила определяет свойство ферромагнетика сохранять остаточную намагниченность. Большой коэрцитивной силой обладают«твердые» магнитные материалы, дающие широкую петлю гистерезиса и используемые для создания постоянных магнитов. Малую коэрцитивную силу имеют«мягкие» магнитные материалы, дающие узкую петлю гистерезиса и используемые для изготовления сердечников трансформаторов.

Перемагничивание ферромагнетика связано с изменением ориентации областей спонтанной намагниченности (п. 4°) и требует совершения работы за счет энергии внешнего магнитного поля. Количество теплоты, выделяющейся при перемагничивании, пропорционально площади петли гистерезиса.

4°. При температурах ниже точки Кюри (п. 2°) ферромагнетик разбивается на малыеобласти однороднойсамопроизвольной (спонтанной) намагниченности — домены. Линейные размеры доменов – (10^-510^-4) м. Внутри каждого домена вещество намагничено до насыщения (п. 2°). В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы в пространстве так, что и результирующий магнитный момент всего ферромагнитного тела равен нулю.

Под влиянием внешнего поля в ферромагнетике происходит ориентация магнитных моментов не отдельных частиц, как в случае парамагнетиков (III.13.3.6°), а целых доменов. В результате вещество оказывается намагниченным.

Ферромагнитные свойства возможны только в кристаллическом состоянии таких веществ, у которых взаимодействия между соседними атомами в решетке приводят к полной энергии системы электронов, обеспечивающей выполнение условия существования ферромагнетизма (III.13.5.1°).

5°. Измерения гиромагнитного отношения (III.13.1.4°) для ферромагнитных тел показали, что элементарными носителями магнетизма в ферромагнетиках являются спиновые магнитные моменты электронов (III.13.1.4°). Современная квантовомеханическая теория ферромагнетизма объясняет природу самопроизвольной намагниченности ферромагнетиков (п. 4°) и причины возникновения сильного внутреннего поля (III.13.4.1°).

Ферромагнитными свойствами обладают кристаллы веществ, атомы которых имеют незаполненные электронами внутренние слои и подоболочки (VI.2.3.6°), обладающие отличным от нуля значением проекции результирующего спинового момента на направление магнитного поля (III.13.1.3°). Между спинами таких электронов возникает особое квантовомеханическое взаимодействие немагнитного происхождения, называемое обменным взаимодействием (VI.2.1.4º). В результате этого состояние системы электронов в ферромагнетиках при параллельно ориентированных спинах оказывается устойчивым, возникает самопроизвольная намагниченность (п. 4°) и сильное внутреннее магнитное поле.